半導(dǎo)體二極管以及其應(yīng)用

1、關(guān)于半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第1頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四1 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用了解半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)；理解PN結(jié)的結(jié)構(gòu)與形成；掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦?；熟悉二極管和穩(wěn)壓管的V-I特性曲線及其主要參數(shù)等。 了解特種二極管第2頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四1.1 PN結(jié)1.1.1 PN結(jié)的形成1、半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。電阻率為硅（Si）和鍺（Ge）是兩種常用的半導(dǎo)體材料特點(diǎn)：四價(jià)元素，每個(gè)原子最外層有四個(gè)價(jià)電子GeSi第3頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四2、本征半導(dǎo)體：化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體，其純度達(dá)到9

2、9.9999999%，通常稱為“9個(gè)9”，在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：第4頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子這種結(jié)構(gòu)如何體現(xiàn)半導(dǎo)體的特性呢？導(dǎo)電機(jī)制是什么？第5頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四3、載流子：可以自由移動(dòng)的帶電離子。 當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。 自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)

3、出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。第6頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第7頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四自由電子是載流子。空穴也是一種載流子（Why？）。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。第8頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和

4、空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。當(dāng)溫度一定時(shí)，激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即“空穴-電子對(duì)”濃度一定。第9頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。第10頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四4、雜質(zhì)半導(dǎo)體(1) N型半導(dǎo)體(2) P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化

5、。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。第11頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四 (1）N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。 因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。+4+4+5+4多余電子磷原子N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？第12頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四 在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價(jià)雜

6、質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價(jià)雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。第13頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四(2) P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成 P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。 +4+4+3+4空穴硼原子第14頁，共50頁，2022年，5月2

7、0日，1點(diǎn)57分，星期四 P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。第15頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 摻入雜 質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3 。 2摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51016/cm3第16頁，共50頁，

8、2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。第17頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四小結(jié)半導(dǎo)體中有兩種載流子，分別是自由電子和空穴。純凈半導(dǎo)體中的載流子主要取決于溫度（或光照）。摻雜半導(dǎo)體中的載流子可以分為多子（多數(shù)載流子）和少子（少數(shù)載流子）。多子取決于摻雜濃度，少子取決于溫度（或光照）。P型半導(dǎo)體中的多子是空穴，少子是自由電子，N型半導(dǎo)體中的多子是自由電子，少子是空穴。第18頁，共50頁，2022年，5月20日，

9、1點(diǎn)57分，星期四1.1.2 PN 的單向?qū)щ娦?1、PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。第19頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E少子漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。第20頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四 在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體的

10、結(jié)合面上形成如下物理過程:PN結(jié)形成的物理過程： 因濃度差 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散 最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 擴(kuò)散 漂移否是寬第21頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四 最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為P N 結(jié) , 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴、N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3、P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是

11、少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。第22頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四2、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?如果外加電壓使PN結(jié)中：P區(qū)的電位高于 N 區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏； PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流?P 區(qū)流到 N 區(qū)， PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 P 區(qū)的電位低于 N 區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。 第23頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四第24頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四PN結(jié)正偏時(shí) a、外加電場(chǎng)使得內(nèi)電場(chǎng)被消弱，從而加劇了多子擴(kuò)散； 多子向耗盡層的擴(kuò)散使空

12、間電荷層變窄； b、空間電荷層變窄更有利于多子擴(kuò)散而抑制少子漂移； c、多子擴(kuò)散電流稱為正向電流（P N），此時(shí)稱PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)正偏：PN結(jié)導(dǎo)通，電阻很小，正向電流較大；第25頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四PN結(jié)反偏時(shí)a、外加電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，從而阻礙多子擴(kuò)散而增強(qiáng)了少子的 漂移，使得空間電荷層變寬；b、少子漂移電流（N P），稱為反向飽和電流；c、反向飽和電流很小，且外加電壓超過一定數(shù)值時(shí)，基本不隨 電壓的增加而增加。PN結(jié)反偏：PN結(jié)截止，電阻很大，反向電流很??；第26頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四PN結(jié)的電壓與電流關(guān)系其中IS 反向飽

13、和電流VT 溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）2、PN結(jié)方程正向：反向：近似第27頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四1.2 半導(dǎo)體二極管第28頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四第29頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四 在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1) 點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。1、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)第30頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四(3) 平面型二極管 往

14、往用于集成電路制造藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4) 二極管的代表符號(hào)第31頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四 2、 二極管的伏安特性硅二極管2CP10的V-I 特性鍺二極管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向擊穿特性（1）、正向特性死區(qū)電壓： 硅：0.5V 鍺：0.1V正常工作時(shí)的管壓降 硅：0.7V 鍺：0.3V 第32頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四（2）、反向特性 反向電流由少子形成，因此反向電流一般很小；小功率硅管：小

15、于1微安；小功率鍺管：幾十微安；（3）、反向擊穿特性 反向擊穿：外加電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，在PN結(jié)中形成強(qiáng)大的電場(chǎng)，強(qiáng)制產(chǎn)生大量的電子和空穴，使反向電流劇增； 齊納擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場(chǎng)，拉出共價(jià)鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。當(dāng)反向電壓小于4V時(shí)，擊穿主要為齊納擊穿。雪崩擊穿：所加反向電壓使空間電荷區(qū)增大，產(chǎn)生較大的電場(chǎng)，使做漂移的少子運(yùn)動(dòng)速度加大，能量加大，碰撞出共價(jià)鍵中的自由電子而產(chǎn)生較大的電流。一個(gè)當(dāng)電壓大于6V時(shí)，擊穿主要為雪崩擊穿。發(fā)生擊穿是否就證明二極管損壞了呢？第33頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四3、半導(dǎo)體二極管的等效模型恒壓

16、模型U D 二極管的導(dǎo)通壓降：硅管 0.7V；鍺管 0.3V。二極管的VA特性理想二極管模型：正偏反偏小信號(hào)模型:在交流小信號(hào)模型下將二極管等效于rD,因此可用于分析二極管電路。第34頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四4、二極管的主要參數(shù)額定整流電流IF反向擊穿電壓U（BR）最高允許反向工作電壓UR反向電流IR最高工作頻率fM第35頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四例1-1 ui=10sinwt (v)E=5vR=1k歐姆忽略二極管的正向壓降和反向電流畫出uo的波形（1） ui E 時(shí)，二極管正向?qū)ǎ?uo = E;第36頁，共50頁，2022年，

17、5月20日，1點(diǎn)57分，星期四例1-2 判斷二極管的 工作狀態(tài)。判斷方法： 正向偏置VAVB；導(dǎo)通； 反向偏置VAVB；截止；解題方法： 斷開二極管2AP1，求VA和VBVA = 15 （10/（10+140）=1V；VB = -10（2/（18+2） + 15（5 /（25+5）=1.5V； VAVB，所以，二極管2AP1截止；第37頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四1.3 半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.3.1在整流電路中的應(yīng)用D1 、D3導(dǎo)通， D2、D4截止。u2正半周時(shí):uLU1.工作原理第38頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四u2負(fù)半周時(shí)：D2、D

18、4 導(dǎo)通， D1 、D3截止。Uu2-+第39頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四uLU第40頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四1.3.2 在檢波中的應(yīng)用第41頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四1.3.3 限幅電路第42頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四1.4 特種二極管1.4.1 硅穩(wěn)壓管IZ mi nIZ m a xUZIZUZ第43頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四2、穩(wěn)壓管的參數(shù)（4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗（1）穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動(dòng)態(tài)電阻第44頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四3、穩(wěn)壓原理第45頁，共50頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)57分，星期四4、限流電阻